Στην κβαντική οπτική και τη μέτρηση με λέιζερ το Νόμπελ Φυσικής 2005

Πηγή:PhysicsWeb, Nature και AP, 4 Σεπτεμβρίου 2005

Οι Αμερικανοί John L. Hall και Roy J. Glauber καθώς και ο Γερμανός Theodor W. Hänsch κέρδισαν το Βραβείο Νόμπελ 2005 στη Φυσική, για την εργασία τους που οδήγησε σε καλύτερες επικοινωνίες μακράς απόστασης και μια πιο ακριβή ναυσιπλοΐα σε όλο τον κόσμο αλλά και στο διάστημα.

Το βραβείο δόθηκε στους τρεις φυσικούς για τις εργασίες τους σε εφαρμογές της σύγχρονης κβαντικής φυσικής για τη μελέτη της οπτικής. Οι μηχανικοί ήδη έχουν χρησιμοποιήσει τις παρατηρήσεις τους για να βελτιώσουν τα λέιζερ, την τεχνολογία του Παγκόσμιου Συστήματος Προσδιορισμού Θέσης (GPS) και άλλα όργανα.

Ο Roy Glauber, είναι 80 ετών, του πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, θεωρείται πατέρας της Κβαντικής Οπτικής και πήρε το μισό από το φετινό Νόμπελ γιατί έδειξε κατά τη δεκαετία του '60 με ποιο τρόπο επιδρά η σωματιδιακή φύση του φωτός στη συμπεριφορά του υπό ορισμένες συνθήκες. Αν και αυτές οι συνθήκες παρατηρούνται σπάνια στη φύση, είναι συχνά σχετικοί στα περίπλοκα οπτικά όργανα. Ο ίδιος έθεσε το 1963 τις βάσεις της κβαντικής οπτικής, στο πλαίσιο της οποίας η κβαντική θεωρία επεκτάθηκε στον τομέα της οπτικής, και συγκεκριμένα συνέβαλε στην κβαντική θεωρία της οπτικής συμφωνίας. Επίσης, έδειξε πώς η κβαντική θεωρία πρέπει να διατυπωθεί για να περιγράψει την ανίχνευση των φωτονίων.

Για να το πετύχει αυτό χρησιμοποίησε την κβαντική ηλεκτροδυναμική, η οποία περιγράφει πως τα φωτόνια που απορροφώνται από ένα μέσον αναγκάζουν να εκπέμπονται ηλεκτρόνια από αυτό το μέσο. Επειδή τα ηλεκτρόνια -- κι όχι τα φωτόνια -- είναι αυτά που μετριούνται στον ανιχνευτή, οι πληροφορίες για τη συμπεριφορά αυτών των φωτονίων είναι πάντα έμμεσες. Η εργασία του Glauber διευκρίνισε τις θεμελιώδεις διαφορές μεταξύ των θερμικών πηγών του φωτός, όπως οι συνηθισμένες λάμπες, οι οποίες έχουν ένα μίγμα συχνοτήτων και φάσεων, και τις σύμφωνες πηγές του φωτός, όπως είναι τα λέιζερ και οι κβαντικοί ενισχυτές.

Ο John Hall, 71 ετών, του πανεπιστημίου του Κολοράντο που εργάζεται και στο NIST, μαζί με τον Theodor Hänsch, 63 ετών, του πανεπιστημίου Ludwig-Maximilian στο Μόναχο, κέρδισαν το υπόλοιπο μισό του Νόμπελ "για τις συνεισφορές τους στην ανάπτυξη της φασματοσκοπίας ακρίβειας της βασισμένης σε λέιζερ, συμπεριλαμβανομένης και μιας ειδικής τεχνικής στις οπτικές συχνότητες, που χρησιμοποιεί φαινόμενα συμβολής για να δημιουργήσει μια σειρά παλμών μήκους μερικών φεμτο-δευτερολέπτων".

Η έρευνά τους καθόρισε το χρώμα του φωτός στο ατομικό και μοριακό επίπεδο. Ο Haensch χρησιμοποίησε όμοιους βραχύβιους παλμούς για να υπολογίσει τις συχνότητες και ο  Hall βελτίωσε την τεχνική. Όπως ανέφερε χαρακτηριστικά η επιτροπή του Νόμπελ "οι δύο τους βραβεύονται για την ανάπτυξη της φασματοσκοπίας ακριβείας με βάση τα λέιζερ, δηλαδή τον καθορισμό του χρώματος του φωτός των ατόμων και μορίων με εξαιρετική ακρίβεια".

Έτσι, το ατομικό φάσμα μπορεί να μελετηθεί με τόση ακρίβεια ικανή να μελετηθούν φαινόμενα κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, όπως η περίφημη μετατόπιση Lamb. Κλειδί για να υπάρξει τέτοια ακρίβεια είναι η σταθερότητα του φωτός των λέιζερ. Ο Hall μαζί με τους συνεργάτες του πέτυχε να σταθεροποιήσει τη συχνότητα του φωτός με ακρίβεια κάτω από το 1 Hertz, με τη βοήθεια ενός παθητικού συμβολομέτρου και ηλεκτρονικής ανάδρασης. Ακολούθως η ακρίβεια του οπτικού λέιζερ που πέτυχαν ήταν της τάξεως του 10^-15 , που χρησιμοποιείται στα ατομικά ρολόγια.

Ο John Hall ανέφερε ότι οι καρποί της εργασίας τους θα μπορούσαν τελικά να εφαρμοστούν για τη βελτίωση της επικοινωνίας σε όλη την υδρόγειο και ακόμα πιο πέρα. Η έρευνα θα μπορούσε επίσης να είναι χρήσιμη για να βοηθήσει στην πιο ακριβή πλοήγηση των διαστημικών σκαφών στα διαστημικά ταξίδια, ή τη δημιουργία καλύτερου ψηφιακού animation.

"Τελικά, θα μπορούμε να απολαύσουμε τους τρισδιάστατους ολογραφικούς κινηματογράφους", τόνισε ο Haensch.

Όπως ανακοίνωσε η Σουηδική Ακαδημία "Ο Roy Glauber βραβεύεται για τη συνεισφορά του στην κβαντική θεωρία της οπτικής συμφωνίας. Με τις εργασίες τους οι John Hall και Theodor Haensch μπόρεσαν να μετρήσουν τις συχνότητες με μια ακρίβεια 15 ψηφίων. Μπορούν δε τώρα να κατασκευαστούν λέιζερ με εξαιρετικά έντονα χρώματα, καθώς και με μια ειδική τεχνική μπορούν να γίνουν ακριβείς αναγνώσεις στο φως όλων των χρωμάτων".

"Επίσης, με αυτή την τεχνική μπορεί να γίνουν μελέτες για τη σταθερότητα των 'σταθερών' της φύσης κατά τη διάρκεια του χρόνου και να αναπτυχθούν εξαιρετικά ακριβή ρολόγια και μια βελτιωμένη τεχνολογία του GPS".

Ο Borje Johansson, μέλος της βασιλικής σουηδικής ακαδημίας των επιστημών, απκάλεσε την επιλογή αυτή της ακαδημίας "χαρακτηριστικό βραβείο φυσικής". "Πρώτα κάποιος καταργεί ένα εμπόδιο, και τότε συμβαίνουν νέες καταστάσεις", λέει ο Johansson. "Οι άνθρωποι μπορεί να κάνουν μεγάλη χρήση αυτού".

Ενώ ο Sune Svanberg, πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ για τη φυσική, είπε ότι ο Glauber μπορεί δίκαια να θεωρηθεί πατέρας της κβαντικής οπτικής, και ότι οι θεωρίες του προετοίμασαν το έδαφος για τις ανακαλύψεις που έγιναν από τους Hall και Haensch.

Έως ότου δημοσιεύσει ο Glauber τις θεωρίες του το 1963, οι επιστήμονες δεν είχαν ιδέα ότι η κβαντική θεωρία, που αναπτύχθηκε αρχικά από τον Αλβέρτο Αϊνστάιν, θα μπορούσε να εφαρμοστεί στον τομέα της οπτικής. "Άλλαξαν πολλά για να το δουν αυτό", συνέχισε ο Svanberg. "Τα αποτελέσματά του είναι θεμελιώδη για τη σύγχρονη κατανόησή της συμπεριφοράς του φωτός."

Ο Hall δουλεύει για το JILA, ένα Ίδρυμα του πανεπιστημίου του Κολοράντο και του Εθνικού Ιδρύματος Προτύπων και Τεχνολογίας. Μάλιστα δύο άλλοι φυσικοί του JILA, οι Eric A. Cornell και Carl E. Wieman, κέρδισαν το Νόμπελ στη φυσική το 2001.

Από τα έξι βραβεία Νόμπελ, το βραβείο φυσικής έχει ίσως το ευρύτερο πεδίο έρευνας, γι αυτό και είναι δύσκολη η ανακοίνωση του.

Κατά την προηγούμενη δεκαετία, οι βραβευθείσες εργασίες στη φυσική κυμαίνονταν από την εξήγηση της κατασκευής των μακρινών γαλαξιών, την υπεραγωγιμότητα, τα κοσμικά νετρίνα, για τη συμπύκνωση Bose-Einstein έως τη δημιουργία υψηλής ταχύτητας ηλεκτρονικών, που οδήγησε σε σημαντικές ανακαλύψεις για το πώς διαβιβάζονται οι πληροφορίες παγκοσμίως με πολύ μεγάλη ταχύτητα.

Πέρυσι το βραβείο δόθηκε στους Αμερικανούς David Gross, David Politzer και στον Frank Wilczeck για την εξήγηση που έδωσαν στην ισχυρή δύναμη που δεσμεύει τα κουαρκ μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα.

Και οι τρεις τους μοιράζονται το βραβείο αξίας 1,3 εκατομμυρίων δολαρίων.

Το βραβείο αυτό είναι το δεύτερο Νόμπελ που αναγγέλλεται αυτή η εβδομάδα. Τη Δευτέρα, οι Αυστραλοί Barry J. Marshall και Robin Warren κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ του 2005 στη φυσιολογία και την ιατρική για την παρουσίαση αποδείξεων, ότι εν μέρει τυχαία, τα βακτηρίδια και όχι το στρες ήταν η κύρια αιτία του επίπονου έλκους του στομάχου και του εντέρου.

Τα βραβεία για τη χημεία, την ειρήνη και τη λογοτεχνία θα αναγγελθούν μέχρι το τέλος της εβδομάδας, με το βραβείο οικονομικών να απονέμεται στις 10 Οκτωβρίου.

Τα βραβεία απονέμονται κάθε χρόνο στις 10 Δεκεμβρίου, επέτειο θανάτου του Αλφρεντ Νόμπελ. Το Νόμπελ Ειρήνης παραδίδεται στον νικητή του στο Όσλο της Νορβηγίας, ενώ τα υπόλοιπα βραβεία απονέμονται στη Στοκχόλμη.